嵌入式雷达发射机故障监测系统的研制

摘要：某型早期雷达的发射机只采用两个指针式电表作为监测设备，缺乏完善的机内测试系统，为了更有效地监测发射机的工作状态，采用了加装嵌入式监测系统的方法。利用成熟的单片机及数据采集技术，设计了用于雷达发射机的多点调理电路和隔离电路，研制成嵌入式的故障监测系统。该系统在发射机上加装调试后经长期使用，检验了其使用效果良好，可靠性高，具有推广使用价值。
关键词：嵌入式；雷达；发射机；故障监测；单片机；数据采集

    新一代雷达装备都设计有比较完善的机内测试(BIT)系统，它能对雷达的各功能模块进行实时监测，及时发现故障，将故障定位到现场可更换单元(LRU)，快速指导维修人员进行换件维修。完善的雷达BIT系统显著提高了雷达的维修保障性，使雷达出现的许多故障可以在现场维修。BIT技术的应用，使中继级维修的作用已日趋减弱，以两级维修体制逐步取代三级维修体制(基层级、中继级和基地级)。所谓两级维修，就是将外场不能修理的零部件直接送到基地修理，而不经过作战部队修理厂这一中继级，外场维修人员的工作就是将故障部件拆下，换上正常部件。
    大量现役的早期雷达，只有简单的几个电表在线监测发射机的关键器件。在向两级维修体制转变的时期，这些没有自动检测功能的雷达由于工作时间长，同时又失去了原有的技术保障能力，就故障频发，尤其是工作于高频高电压的发射机，故障率更高，装备完好率迅速降低。
    利用成熟的单片机技术及数据采集技术研制成嵌入式系统，监测这些雷达发射机中的所有关键器件，当发现某器件有故障预兆时发出报警并进行故障隔离，可大大装备完好率。

1 雷达发射机内监测点和隔离点的梳理
    早期雷达发射机一般采用单级振荡式结构，包括定时器、脉冲调制器、射频产生器3个单元。
    单级振荡式发射机的定时器一般由门电路级别的简单集成电路和石英晶体振荡器构成频率源，然后经分频电路多级分频输出定时触发脉冲，不同周期的触发脉冲由工作方式转换开关进行转换；射频产生器就是一个磁控管，这也是“单级振荡式”名称的由来；电路最复杂的是脉冲调制器，根据脉冲调制器的任务，它基本由下列3部分组成：电源部分、能量储存部分、脉冲形成部分。
    脉冲调制器中高压电源由升压变压器和整流硅堆整流而成；充电元件为电感和二极管；调制开关为氢闸流管；储能元件为多节人工线串联而成，并可以由继电器控制串联的有效节数从而改变射频脉冲的宽度，由工作方式转换开关控制；耦合元件为脉冲变压器。另外还有其他辅助电路，比如反肩峰脉冲电路、磁控管灯丝电流测量电路等。磁控管灯丝电流测量指示仪表为指针式微安表，但没有声光报警功能。
    根据对发射机内电路和元件的充分分析，结合修理发射机的先验经验，梳理出发射机内部需要监测的各点及其监测参数、数量等指标如表1所示。

    当监测到某点参数超出标称值的范围后，预警系统的液晶屏可显示故障点的编号以供维修者迅速判定故障点，同时还可以对故障进行简单隔离保护，隔离保护的方式为机械式切断相关电源或信号通路。梳理隔离点的形式和数量如表2所示。

2 单片机选型及其资源分配
    单片机是一种集成在电路芯片上，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I／O口和中断系统、定时器／计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
    单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
    单片机有很多系列，其中应用范围和数量最大的还是MCS-51系列，并且随着激烈的竞争，MCS-51系列也在不断地发展，现在集成显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A／D转换器等电路的MCS-51系列单片机也很多。由于设备空间的限制，加装的嵌入式系统必须要实现自身设备的小型化，选用集成多通道高精度A／D和D／A变换器和通讯接口等是必须的，根据使用习惯及资源要求选用STC12C5628AD。[!--empirenews.page--]
    新一代宏晶芯片STC12C5628AD具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点。指令代码和管脚直接兼容传统89C52。可选用的资源有：
    1)时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选；
    2)8／16／20／32／40／48／52／56／60／62 k字节片内Flash程序存储器；
    3)1280字节片内RAM数据存储器；
    4)芯片内EEPROM功能；
    5)增加外部掉电检测电路，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM；
    6)8通道、10位高速ADC；
    7)2通道捕获／比较单元(PWM／PCA)；
    8)4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0／T1；
    9)7路外部中断；
    10)可编程时钟输出功能；
    11)通用I／O口(36／40／44个)。
    根据以上可选资源并分析表1和表2内的监测点和隔离点，分配单片机资源如表3所示。

    表3内资源分配的简单说明：4个外部中断监测电压是否过高，方法是对4路电压经调理电路后接电压比较器，若有过高电压则电压比较器翻转引起相应中断，驱动通用I／O口6和8，分别通过继电器切断直流高压或三相总电源；6路ADC通道分别接对应的电流、功率、电压调理电路后进行数据采集并在程序中与标称值比较，对于允许范围内的波动值(隐患区的值)，则与时间信息一起被保存，供计算机下载后进行分析；对于允许范围外的波动值(故障区的值)，则通过通用I／O口5和6分别通过继电器切断触发脉冲或直流高压；定时器1用于计算触发脉冲的脉宽和周期；计数器1用于测量频率；通用I／O口1、2用于检测工作方式转换开关的状态，并通过通用I／O口3、4驱动继电器使人工线保持与工作方式转换开关的同步变换；其他通用I／O口上喇叭用于声音报警，液晶屏则显示运行信息或故障代码。
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3 监测点接口电路设计
    嵌入式系统中单片机系统已为成熟技术，解决单片机监测端口的激励方法即接口电路设计的成为关键技术。接口电路又称信号调理电路，调理就是放大、缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模／数转换器(ADC)的输入，可总结为放大、衰减、隔离、多路复用、过滤、激励、冷端补偿几个方面。根据表1和表2知：监测点主要有电压、电流、频率、脉冲、开关等类型，下面对主要的电压和电流监测点的接口电路举例说明。
3．1 直流高电监测点的调理电路
    为使监测信号进入模数转换之前的电压符合A／D转换器的要求，选用了衰减、过滤、隔离等电路环节。如图1所示。

    图1中R1和R2组成衰减网络，其阻值比大约等于直流高压与4．5 V的比值，即衰减网络输出的电压为4．5 V，以便于匹配A／D通道的要求。R1和R2取MΩ级1 W电阻，以控制衰减网络的分流电流小于200μA。C1和C2与同轴电缆组成过滤网络，以过滤高压电源上的纹波及发射机内的各种脉冲干扰。运放op07构成射极跟随器，使衰减网络与A／D通道的阻抗匹配，也就是隔离网络。
3．2 电流监测点的调理电路
    1)微波功率测量
    发射机内微波功率测量的原理是在波导中预置热电偶，热电偶直接输出到指针式微安表。由此可知所谓微波功率测量只不过是对发射机状态的一种低精度监测罢了。因此该调理电路仍旧采用图1所示调理电路，只不过R1和R2之和约等于指针表头的内阻即可，一般为1 KΩ，调试时采用软件补偿的办法。
    2)磁控管灯丝电流测量
    磁控管灯丝电流是在磁控管灯丝变压器的副边增加了一个绕组，该绕组输出经简单的二极管整流和电容滤波后，输送到指针式微安表显示。正常情况下，该电流值是一直波动的，只要不超过允许的范围即可。因为测量精度要求很低，所以还是采用图3所示的调理电路。R1和R2之和约等于1kΩ。
3．3 其他监测点的调理电路
    1)脉宽和周期测量
    脉宽和周期是同一个数字电路输出的，其电平与单片机电平一致，可直接相连。实际电路中桥接一个微分电路，使输出的较宽脉冲变换成窄脉冲，以利于定时器的捕获与分辨。
    2)交流电频率测量
    利用互感器后的输出电压是幅值为100 mV的交流电，经半波整流后调理为0～5 V的半波直流脉动电压。一般是对该电压进行高速采集计算出频率，这样会严重浪费单片机的资源，加重运算负担，本方案采用如图2所示调理电路。

    R1和R2之间的电位为0 V～5 V～0 V～5 V循环变化(半个正弦波)，R3和R4之间的电位调整为2．5 V，LM324接成电压比较器。交流电一个周期内，在正半波上升段穿过比较电平时，比较器输出高电平，在正半波下降段穿过比较电平时，比较器输出低电平，在负半波内，比较器保持低电平。这样交流电一个周期内输出一个宽脉冲，经微分电路后一正一负两个窄脉冲，其中负向窄脉冲被二极管V2过滤，送到A／D的只有一个正脉冲，通过计数器1计数即可得到交流电的频率值。如图3所示。

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4 程序设计举例
    所有监测点及隔离点都由单片机控制。对于测量脉宽、周期和频率的定时器和计数器，以及判断电压的4个中断，都是通用程序，不做介绍。主要说明6个A／D通道的设计思想。
    6个A／D通道用通道数n控制，由通道1到通道6遍历采集分析，如有故障需要隔离的话，则记录此信息、发出声音报警并启动相应的隔离端口；若无故障的话则循环检测。
    通道n的采集判决思想是：连续启动A／D3次，分别记录采集的数据xn、yn、zn，取该3个数的中间数记为rn，作为一次有效采集值。调试程序时已经赋予了an、bn、cn、dn为参考值，其中an为故障上限，bn为允许上限，cn为允许下限，dn为故障下限。若rn>an或rn<dn，则判为故障，需要隔离；若rn在[an，bn]、[cn，dn]区间内，则判为隐患，记录rn及当前时间值，设备仍可继续运行；若rn在[bn，cn]区间内，则判为正常，设备继续运行。测量值分类如图4所示，程序流程图如图5所示。

    时钟芯片主要是给系统提供标准时间基准，对存储到Flash中的数据添加时间项，即对故障信息和隐患数据添加时间戳，便于以后下载到计算机后做进一步深入分析。

5 安装调试注意事项
    安装嵌入式系统时不能破坏发射机的结构，包括器件之间的相对位置都不允许移动。嵌入式系统自身要有屏蔽措施，安装要牢固。
    安装接口电路时，一定注意空间位置，既要与被监测元件尽量靠近以防止产生分布参数影响发射机性能，还要防止接口电路与被监测元件之间的短路和分布参数的问题，每一个接口电路都要反复论证、调试。
    接口电路与单片机之间的连接使用同轴电缆，以防止发射机内的高频脉冲干扰采集数据。同轴电缆的走线既要尽量短，还要保证与发射机内原有的电缆束并排固定好，严禁使用飞线。
    转换开关分别使相应I／O口接地，可在冷态时用万用表检测其可靠性。
    首次程序调试时，不可接隔离继电器。然后通过调节输入的三相电压值来标定参考值an、bn、cn、dn。标定好以后接入隔离继电器继续调试。
    触发脉冲的隔离继电器简单串入即可，需要注意的是继电器的选型，要选用触点接触电阻小的继电器。三相电的隔离继电器采用交流接触器，同时控制三路。特别注意该交流接触器接成自保形式，继电器需接入其自保支路。

6 结束语
    该嵌入式系统的研制，大部分都是应用的成熟技术，总体价格低廉，但其作用很大，可以很好地监测发射机的工作状态，利用其记录的隐患数据还可以对发射机做进一步的诊断，以便进行正常的维护保养和性能调整。该嵌入式系统在实验室的发射机上调试好以后，经连续运行，使用效果良好，具有较高的推广使用价值。